定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性
定向耦合器的原理与应用
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定向耦合器的测量方法
耦合度 10log(
输入端输入功率 ) 耦合端输出功率
方向性：理想的定向耦合器只耦合输入端的功率， 但是实际的定向耦合器总 会耦合一部分输出端的反射功率，方向性就是表示耦合端耦合反射功率的指标， 其计算方法为输出端的反射功率与耦合端输出功率的比值，公式为
耦合度 10log(
输出端反射功率 ) 耦合端输出功率
图 2 典型的网络分析仪(安捷伦 8714ES/3G)
测试步骤
耦合度的测量 1. 如图 3 所示连接好设备和仪器； 2. 将网络分析仪测试频段调节为定向耦合器的工作频段； 3. 连接好后， 网络分析仪会显示该定向耦合器在工作频段内的耦合度曲线， 可以通过移动光标查看频段内不同频率下耦合器的耦合度（dB络分析仪： 网络分析仪可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单 口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。 自动网络分析仪能对测量结果逐点进行误差修正， 并换算出其他几十种网络参数，
如输入反射系数、 输出反射系数、 电压驻波比、 阻抗 （或导纳） 、 衰减 （或增益） 、 相移和群延时等传输参数以及隔离度和定向度等， 典型的网络分析仪如图 2 所示。
输出端口
定向耦合器
输入端口
耦合端口 输出端口 网络分析仪 输入端口
图 4 定向耦合器方向性的测量框图
输入端口 定向耦合器 耦合端口 输出端口 网络分析仪 输入端口 输出端口
图 3 定向耦合器耦合度的测量框图
方向性的测量 1. 如图 4 所示连接好设备和仪器(将网络分析仪的信号输出端连接到定向耦 合器的输出端口，模拟定向耦合器输出端的反射功率)； 2. 将网络分析仪测试频段调节为定向耦合器的工作频段； 3. 连接好后， 网络分析仪会显示该定向耦合器在工作频段内的方向性曲线， 可以通过移动光标查看频段内不同频率下耦合器的方向性（dB） 。
无源器件定向耦合器的特性及技术指标
定向耦合器
7. 带内波动
带内波动又称为幅频特性。在功分器的工作频带内，不同频率的总损耗会 有所差异，幅频特性是指在指定工作频带内总损耗随频率变化的程度，一般用 指定频带内最大损耗和最小损耗的差值表示，单位为dB p-p / 工作带宽。 测试方法： ➢ 点频法 ➢ 扫频法
驻波比 （VSWR）
1.92 1.78 1.67 1.58 1.50 1.43 1.38 1.33 1.29 1.25 1.22
20
0.04 201.0
插入损耗(dB)
≤
回波损耗(dB)
≥20（所有端口）
方向性(dB)
≥20
互调
＜-140dBc（+43dBm×2）
阻抗(Ω)
50
移动通信系统中微带耦合器的技术指标
30
0.004 301.5
定向耦合器
定向耦合器的实例指标
频率范围 耦合度(dB) 功率容限(W) 分配损耗(dB) 耦合度波动范围(dB) 插入损耗(dB) 回波损耗(dB) 方向性(dB) 互调 阻抗(Ω)
输入功率 Pin
端口
发射功率 Pr
通过功率 Pout
定向耦合器
回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间的数学关系如
下：
Lr = 20 Log（1/ρ）
或 ρ = 1 / 10 Lr/20
VSWR =（1+ρ）/（1-ρ） 或 ρ = （VSWR-1）/（VSWR+1）
回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间关系表如下表，
工程上要求在工作频带内，带内波动小于0.3dB p-p / 工作带宽.
定向耦合器
单位代码： 10293 密 级：硕 士 学 位 论 文论文题目：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士二零一五年三月学 科 专业 研 究 方向 申请学位类别 论文提交日期摘要定向耦合器是一种常用微波无源元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。
特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。
但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄，无法满足系统的要求。
本文以分支线定向耦合器为研究对象，主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。
论文的主要工作和创新点包括：（1）根据功率相消原理在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。
这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度。
（2）完成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。
（3）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法：增加耦合路径，并设计出一款3dB三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。
在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器，该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。
关键词: 定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽AbstractReader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed network.The traditional directional coupler isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovation of this paper include:(1)We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,and use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase isolation of the directional coupler,according to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation.(2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vector network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased.(3) Base on the dual branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,and design a 3dB three-branch line directional coupler, the coupler can greatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler目录第一章绪论 (1)1.1 研究的背景与意义 (1)1.2 RFID系统基本介绍 (1)1.3 RFID系统现状和进展 (3)1.3.1 RFID系统使用现状 (3)1.3.2 RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度 (3)1.4本文的主要工作及内容安排 (4)第二章定向耦合器基本原理 (6)2.1 定向耦合器工作原理 (6)2.1.1 定向耦合器基本特性 (6)2.1.2 定向耦合器理论分析 (7)2.1.3 定向耦合器的技术指标 (9)2.2 常见定向耦合器的介绍 (10)2.2.1 平行耦合线定向耦合器 (11)2.2.2 波导定向耦合器 (11)2.2.3 分支线定向耦合器 (13)2.2.3 环形定向耦合器 (14)2.3 3dB微带分支线定向耦合器理论分析 (15)2.4 本章小结 (18)第三章带短路支节双分支线定向耦合器设计 (19)3.1 3dB双分支线定向耦合器设计 (19)3.1.1 3dB双分支线定向耦合器ADS仿真 (19)3.1.2 微带线理论分析 (21)3.1.3 3dB双分支线定向耦合器建模与结果分析 (23)3.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器设计 (26)3.2.1 3dB带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理 (27)3.2.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真 (29)3.2.3 相关参数优化与结果分析 (31)3.2.4 两款定向耦合器对比分析 (38)3.3 本章小结 (40)第四章实物测试与结果分析 (41)4.1 实物加工与测试 (41)4.2 测试结果与仿真结果分析 (44)4.3 本章小结 (47)第五章改进型微带分支线定向耦合器设计 (48)5.1 3dB微带三分支线型定向耦合器设计 (48)5.1.1 3dB微带三分支线定向耦合器ADS仿真 (48)5.1.2 3dB微带三分支线定向耦合器建模与仿真 (51)5.2 3dB带短路支节三分支线定向耦合器设计 (54)5.2.1 3dB带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真 (54)5.2.2 参数优化与结果分析 (56)5.2.3 3dB带短路支节双分支线和3dB带短路支节三分支线定向耦合器对比分析 (60)5.3 本章小结 (61)第六章总结与展望 (62)参考文献 (64)第一章绪论1.1研究的背景与意义无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它的主要特征是运用射频信号和空间耦合传输特性，达到对被识别物体的自动识别[1]。
定向耦合器的耦合度,隔离度,定向度计算公式
定向耦合器是指能够将输入信号从一个端口转移到指定的输出端口的设备。
在设计和使用定向耦合器时，需要考虑其耦合度、隔离度和定向度。
这些参数对定向耦合器的性能和使用效果具有重要影响。
一、耦合度耦合度是定向耦合器传输信号中的一种重要参数，指的是输入端口与输出端口之间的能量传输。
耦合度越高，输入端口的能量会更多地传输到输出端口，实际上就是指定向耦合器所提供的端口之间传输能量的程度。
耦合度的计算公式为：C = 10 * log10(Ws/Wi)其中C表示耦合度，单位为分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示输出端口的能量。
通常情况下，耦合度的取值范围一般在20dB 至50dB之间，不同的应用场景下，所需的耦合度也会不同。
选择合适的耦合度能够满足不同的需求。
二、隔离度隔离度是定向耦合器的另一个重要参数，用来描述输入端口和其他端口之间的隔离程度。
隔离度越高，表示输入端口与其他端口之间的干扰越小，这对于提高定向耦合器的性能和稳定性非常重要。
隔离度的计算公式如下：I = 10 * log10(Ws/Wi)其中I表示隔离度，单位也是分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示其他端口的能量。
隔离度的取值范围一般在20dB至40dB之间，隔离度越高，输入端口和其他端口之间的干扰就越小。
三、定向度定向度是描述定向耦合器在将能量从输入端口传输到指定输出端口时的效果的参数。
在使用定向耦合器时，需要考虑定向度的大小，定向度越高，表示定向器在传输时的效果越好。
定向度的计算公式如下：D = 20 * log10(sqrt((1 - |S21|^2) * (1 - |S31|^2)))其中D表示定向度，S21和S31表示定向耦合器的S参数，用来描述能量在端口之间的传输情况。
定向度的取值范围一般在20dB至30dB 之间，选择合适的定向度能够确保定向耦合器在实际使用中能够高效地传输信号。
总结在设计和使用定向耦合器时，需要充分考虑耦合度、隔离度和定向度这些重要参数。
第六章 定向耦合器
B3
1 2
B4 0
分之线耦合器所有端口都是匹配的，从端口1输入 的功率对等的分配给端口2和端口3，这两个输出 端口之间有90°相移，没有功率从耦合到端口4 （隔离端） 由于分支线混合网络有高度的对称性，任何端口 都可以作为输入端口，输出端口总在输入端口相 反的一侧，而隔离端是输入端口同侧的余下端口
考虑C＝-3dB时所得的定向耦合器与功率分配器的关系？
6.2 耦合微带定向耦合器
两平行微带线的长 度为四分之一波长 在辅线上耦合输出 的方向与主线上传 播的方向相反，也 称为反定向耦合器
耦合线方向性解释
磁耦合：电流i1的交 变磁场会在辅传输线 激励起相反方向传输 的电流IL
主传输线和辅传输线相互靠近， 相互间有能量耦合，有电耦合 (以耦合电容表示)，也有磁耦合 (以耦合电感表示)
第六章 定向耦合器
在射频/微波领域按一定相位和功率关系分 配功率的器件称为定向耦合器，通常具有 无耗、互易、匹配的特性 在混频器、倍频器、衰减器、移相器、功 率放大器等微波电路中应用较多。
定向耦合器的基本指标
1 工作频带 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关 系，也就跟频率有关系 2 插入损耗 主路输出端和主路输入端的功率比值，包括耦合 损耗以及导体介质的热损耗 3 耦合度 描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系
1 S 21
1 S 31
2
2
I (dB ) 10 lg
P4 P 1
10 lg
1 S 41
2
D(dB) 10 lg
P 3 P4
I C
6.1 集总参数定向耦合器
低通式L-C
高通式L-C
集总参数定向耦合器设计公式
定向耦合器指标
定向耦合器指标定向耦合器是一种常用的微波器件，主要用于功率的分配和组合，以及信号的测量和处理。
其性能指标对于整个系统的性能至关重要。
本文将对定向耦合器的主要性能指标进行详细介绍。
一、耦合度耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，它表示耦合端口输出信号与输入信号之比。
通常用分贝（dB）来表示。
耦合度的选择取决于系统的具体需求，如需要将主信号的多少部分分流出来，以及需要将多少功率传输到负载等。
一般来说，耦合度越高，意味着更多的功率被分流出来，反之则更少的功率被分流。
在设计定向耦合器时，需要根据系统的具体要求和用途，选择合适的耦合度。
二、方向性方向性是定向耦合器的另一个重要指标，它表示定向耦合器对指定方向的信号具有较高的传递系数，而对相反方向的信号具有较低的传递系数。
方向性的大小取决于定向耦合器的设计结构和工艺水平。
一般来说，方向性越高，意味着定向耦合器的信号传递性能越好，越能有效地抑制反向信号的干扰。
因此，在某些需要防止信号反向泄漏或提高信号传输可靠性的系统中，应选择高方向性的定向耦合器。
三、隔离度隔离度表示定向耦合器的输出端口之间的信号相互隔离的程度。
理想的定向耦合器应具有完全的隔离，以避免信号在各输出端口之间的相互干扰。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器隔离度总是存在一定的限制。
隔离度的高低取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求选择隔离度合适的定向耦合器，以保证系统的稳定性和可靠性。
四、带宽带宽表示定向耦合器正常工作的频率范围。
理想的定向耦合器应在较宽的频带内具有一致的传输特性和相位特性。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器带宽总是存在一定的限制。
带宽的大小取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求和用途选择带宽合适的定向耦合器，以保证系统的正常工作和稳定性。
五、驻波比驻波比（VSWR）表示定向耦合器输入端的电压最大值与最小值之比。
射频微波电路研究第六章定向耦合器
2 插入损耗
主路输出端和主路输入端的功率比值，包括 耦合损耗以及导体介质的热损耗
3 耦合度
描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系
4 方向性
描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。 理想情况下为无穷大
5 隔离度
描述主路输入端口和耦合支路隔离端口的比例 关系。理想情况下，隔离度为无限大
T(dB )10lgP2 P1
奇偶模分析
对线上所有阻抗用Z0归一化，在端口1输入单位幅值 1的波，采用偶模激励和奇模激励相叠加的方式来分 析分支线耦合器，奇模激励为±1/2,偶模激励为1/2
偶模激励 在两个端口的输入波振幅是1/2
由对称性可知，在中心线处无电流通过，相当于开路
奇模激励 在两个端口的输入波振幅是±1/2
由对称性可知，在中心线处电压为零，相当于短路
m3
0
m3
freq=7.510GHz dB(S(4,1))=-0.224
-5
dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1))
-10
m1
-15
m2
-20
-25 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
freq, GHz
微带定向耦合器ADS仿真结果，可 以在ADS中对定向耦合器优化得到 更好的结果
平行耦合线耦合器设计方法
1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0(Ω)，中心频率ƒc，基片参数(εr，h)
2 利用奇偶模阻抗计算式计算奇偶模特征阻抗
Z0e Z0
110C 20 110C 20
110C 20 Z0o Z0 110C 20
3 利用所得奇偶模特征阻抗在奇偶模特征阻抗设计 数据中查得S/b,W/b(其中S为耦合线间距，W耦合 线宽度，b为基片厚度)
定向耦合器耦合度
定向耦合器耦合度引言定向耦合器是一种用于无线通信系统中的重要设备，它的作用是将信号从一个输入端口耦合到一个或多个输出端口。
定向耦合器的耦合度是指在耦合过程中输入信号与输出信号之间的关联程度。
本文将从耦合器的基本原理、耦合度的定义和计算方法、耦合度的影响因素以及耦合度的优化方法等方面对定向耦合器耦合度进行探讨。
定向耦合器的基本原理定向耦合器是一种基于微波技术的被动器件，通常由多个传输线构成。
其基本原理是通过电磁波在传输线之间的耦合作用，将输入信号从一个传输线耦合到其他传输线上。
定向耦合器通常具有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端口和一个输出端口用于输入和输出信号的耦合，另一个输入端口和另一个输出端口用于通过耦合器的内部结构将信号耦合到其他输出端口上。
耦合度的定义和计算方法耦合度是衡量定向耦合器输入信号与输出信号之间关联程度的指标。
一般来说，耦合度越高，输入信号与输出信号之间的关联程度越强，耦合器的性能越好。
耦合度的计算方法通常使用功率比或插入损耗来表示。
功率比法功率比法是通过比较输出端口上的功率与输入端口上的功率来计算耦合度的方法。
假设输入端口上的功率为Pin，输出端口上的功率为Pout，那么耦合度可以用以下公式表示：Coupling = 10 * log10(Pout / Pin)其中，Coupling表示耦合度，单位为dB。
根据功率比法计算的耦合度可以直观地反映输入信号与输出信号之间的关联程度。
插入损耗法插入损耗法是通过比较输入信号与输出信号之间的功率损耗来计算耦合度的方法。
假设输入端口上的功率为Pin，输出端口上的功率为Pout，那么耦合度可以用以下公式表示：Coupling = 10 * log10(Pin / Pout)根据插入损耗法计算的耦合度可以反映定向耦合器对信号的衰减程度。
耦合度的影响因素定向耦合器的耦合度受多种因素的影响，主要包括以下几个方面：传输线长度和宽度传输线长度和宽度对定向耦合器的耦合度有较大影响。
西电微波网络-课后题答案
西电微波网络-课后题答案第2讲习题本作业针对微波网络的参量矩阵，介绍了Z 矩阵，Y 矩阵，A 矩阵，S 矩阵和T 矩阵的定义以及各矩阵间的相互转换。
2.1 证明Z 矩阵与A 矩阵的关系式二端口Z 矩阵电压-电流关系为（1）2221212I Z I Z V +=（2）由（2）得2212222111I Z ZV Z I -=（3）将（3）带入（1）得221221111I Z V Z Z V ∆-=证毕2.2 求图2-13所示网络的Z 矩阵c b a b c aI Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|011112 c b a c b a I Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|022221cb ac b I Z Z Z Z Z I V Z ++===012212| 2.3 求图2-14所示网络的A 矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡βθθβθθβθθβθθβθθθθβsin cos sin sin cos 2sin sin cos 1101cos sin 1sin cos 110102000000Z j Z Z j j jZ Z j Z j jZ j2.4 已知图2-11所示网络的[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=22211211A A A A A ，端口2接阻抗l Z ，求端口1的输入阻抗。
2121111I Z I Z V +=c b a c b I Z Z Z Z Z I V Z ++===021121|⎩⎨⎧-=-=22222112122111I A V A I I A V A V 则 2221121122222121221111A Z A A Z A I A V A I A V A I V Z l l in ++=--==2.5⎩⎨⎧+=+=22222122122111i a u a i i a u a u 利用111b a u += 222b a u += 111b a i -=222b a i -=得⎩⎨⎧--+=---+=+)()()()()()(22222221112212221111b a a b a a b a b a a b a a b a两式相加2222112112222112111)()(2b a a a a a a a a a a ++++-+-=2222112112221121112221121122a a a a a a a a a a a a a a b ++++-+-++++=即 22211211212a a a a s +++=222112112221121122a a a a a a a a s ++++-+-=222112112221121111--a a a a a a a a s ++++=[]2221121112det 2a a a a a s +++=2.6 （a ）[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=101z A 根据电路理论，得⎩⎨⎧-=-=22121ZI V V I I 利用01111)(Z b a I -= 02222)(Z b a I -= 01111)(Z b a V += 02222)(Z b a V +=得01220211)()(Z b a Z b a --=-Z b a Z b a Z Z b a )()()(220222020111--+=+于是⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-210202010102210202010102)(a a Z Z Z Z Z Z b b Z Z Z Z Z Z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+-++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2102020101020102020102020102210202010102020201010202010221)(22)()(1)(1a a Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z a a Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Zb b 即ZZ Z ZZ Z s +++-=020*******ZZ Z ZZ Z s +++-=020*******ZZ Z Z Z s s ++==0201020121122由t 矩阵与s 矩阵的关系得02010*********Z Z ZZ Z s t ++== 020102012122122Z Z Z Z Z s s t +--=-=020101022111212Z Z Z Z Z s st +-== )(2)(020102012020122122Z Z Z Z Z Z Z Z s t ++--=∆-= (b)[]⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=N N A 100根据电路理论，得21nV V =211I nI -= 利用01111)(Z b a I -= 02222)(Z b a I -= 01111)(Z b a V += 02222)(Z b a V +=得02220111)()(Z b a n Z b a +=+ 01220211)()(Z b a Z b a n --=-于是⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-21010202012101020201a a Z Z n Z n Z b b Z Z n Z n Z⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡210220102010201022010220121010202010102020102201212211a a Z n Z Z Z n Z Z n Z n Z Z n Z a a Z Z n Z n Z Z Z n Z n Z Z n Zb b即022010220111Z n Z Z n Z s ++-=022010220122Z n Z Z n Z s +-=02201020121122Z n Z Z Z n s s +== 由t 矩阵与s 矩阵的关系得020102201211121Z Z n Z n Z s t +== 02010********122Z Z n Z n Z s s t --=-= 0201022012111212Z Z n Z n Z s s t +-== )(2)(0220102012022012122Z n Z Z Z n Z n Z s t +--=∆-= 2.7 已知一双端口网络的s 矩阵满足21122211,s s s s ==。
定向耦合器特性的测量及应用
6.高频替代法测量定向耦合器的方向性 高频替代法测量定向耦合器的方向性D. 高频替代法测量定向耦合器的方向性
9
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实验报告要求 实验报告要求
1.扼要写出实验目的,原理及线路图. 1.扼要写出实验目的,原理及线路图. 扼要写出实验目的 2.整理实验数据,计算耦合度C和方向性系数D. 2.整理实验数据,计算耦合度C和方向性系数D. 整理实验数据
即定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差. 即定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差.
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实验原理 实验原理
2.测量的主要方法 测量的主要方法
(1)功率比法 功率比法 功率比法根据衰减量的基本定义. 功率比法根据衰减量的基本定义.用测量两个功率的比值 来确定被测器件的衰减量, 来确定被测器件的衰减量,根据功率指示方式的不同又可分为 直接法和间接法. 直接法和间接法. (2)高频替代法 (2)高频替代法 替代法是应用标准衰减器来测量微波元件衰减量的另一种 方法. 方法.其基本思想是在信号源和检波系统之间接入一只已校正 的精密衰减器. 的精密衰减器.
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实验原理 实验Leabharlann 理定向耦合器特性参量主要有 定向耦合器特性参量主要有:
1.耦合度 3.输入驻波比 及带宽范围
2.方向性
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实验原理 实验原理
(1) 耦合度 过度衰减)及测量 耦合度(过度衰减 及测量 过度衰减 输入到主波导的功率与副波导中沿正向传输的功率之比称为定向 耦合器的耦合度C(也称过渡衰减): C(也称过渡衰减 耦合器的耦合度C(也称过渡衰减):
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第6.4章四端口元件
隔离口④：一路经g/4、另一路经3g/4（等幅反相）在④口输 出，④无输出。
正交混合电桥的S参数
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射； S11 0 直通臂②输出功率为一半，相位滞后/2；
S21
j1 2
则得 2n
可得实用中两种特殊选择：
1）对称耦合器：
2
S12 S34
, S13
j
e 2 j , S24
j
e2 j
即S13和S24的相位选取相同，其S矩阵为：
0 j 0
S04 S
j
0 0
0 0
j
0
j
0
2）不对称耦合器 0,
S12 S34
, S13
e j0
▪ 信号由端口①输入时，端口 ②和③为等幅同相输出，端 口④无输出（隔离端口）；
▪ 若信号由端口④输入，则由 端口②和③等幅反相输出， 端口①无输出。
▪ 当用作功率合成器时，输入信号 分别加于端口②和③，则在端口 ①输出和信号（和端口），在端 口④输出差信号（差端口）。
0
j2 j2 0
j2 0 S
S04
S12 S013
0 0 S24
0 0 S34
S24
S34 0
0 1 j0
0110
S04 S
1 0.707
j
0 0
0 0
j 1
S04 U
1 0.707
1
0 0
0 0
1 1
0 j1 0
0 11 0
耦合端口的耦合系数为
S13 2 2
定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性
定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性时间：2015-08-11 来源：天线设计网TAGS：定向耦合器耦合器无源器件定向耦合器的技术指标定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系统、测试系统、功率分配系统等。
定向[天线设计网]耦合器的种类繁多。
（1）定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。
（2）当信号从输入端输入时，除了一部分功率直接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。
（3）如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定向耦合器”。
反之，称为“反向定向耦合器”。
除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标有耦合度、方向性和隔离度。
[天线设计网]设输入功率为 P1，直通端、耦合端和隔离端在接匹配负载时的输出功率分别为P2， P3， P4。
耦合度C定义：方向性D定义：理想情况下隔离度I定义：理想情况下很显然有以下关系：实际上，[天线设计网]方向性和隔离度同属表征定向耦合器定向性能的指标，故而取其一就够了。
理想定向耦合器特性【定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口网络可以构成一个理想的90°定向耦合器。
证明：根据互易、对称、完全匹配，有利用无耗网路S矩阵的幺正性：可得，可见，S12、S13和S14中[天线设计网]必然有一个为零，由于端口2为直通端口，故S12不为零。
（a）设S14＝0（正向定向耦合器），则（b）设S13＝0（反向定向耦合器），则得证。
结论：理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之和等于输入功率。
理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。
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温馨提示：如有转载请注明出处-天线设计网-定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性。
定向耦合器
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
i1 1 Cm ic3 3 iL 2
ic4 4
图6-6
耦合线方向性的解释
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同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3上感应有 电流iL。 根据电磁感应定律,感应电流iL的方向与i1的方向 相反, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4口。而在3口 因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠 加抵消,故3口是隔离口。
1 C 1 C
1 C Z 0o Z 0 1 C Z 0e Z 0o (C ) Z 0e Z 0o
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 ADS 计算微带耦合线的宽度及间距（W, S）和 四分之一波长的长度（P 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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RF&MWFra bibliotek因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向 相反,它也被称为“反向定向耦合器”。当导线1—2中 有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠 近,4—3线中耦合有能量,能量既通过电场（以耦合电容 表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合 电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。
描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关 系。理想情况下,
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描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关 系,即方向性＝隔离度-耦合度。
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定向耦合器的研究分析
定向耦合器的研究分析定向耦合器的研究——⼏种微带定向耦合器结构与分析摘要定向耦合器是⼀种通⽤的微波/毫⽶波部件，可⽤于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
主要技术指标有⽅向性、驻波⽐、耦合度、插⼊损耗。
现在国内外研究定向耦合器都向体积⼩、功率容量⼤、频带宽、插⼊损耗⼩，有良好的驻波⽐和⽅向性等发展。
如今已研制出的⾼性能的耦合器，如中国电⼦科技集团公司第四⼗⼀研究所研制的耦合器，频率范围可从30kHz达到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB 各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如AV70606耦合器，它在保证⽅向性⼤于30dB的情况下，功率就可达到10KW。
甚⾄有些公司在耦合度控制在10dB的情况下，它的回波损耗可以低于-50到-60dB，甚⾄更低。
然⽽在某些特性场合，对耦合器的要求也是越来越⾼，因⽽更加优良的耦合器也有待我们去研究。
关键词: 传输线；微带线；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模1引⾔在⼀些电桥及平衡混频器等元件中，常⽤到分⽀线定向祸合器分⽀线电桥或定向藕合器由两根平⾏传输线所组成，通过⼀些分⽀线实现拐合它们在中⼼频率上分⽀线的长度及其间的间隔全都是四分之⼀波长。
由于徽带线分⽀定向祸合器在结构和加⼯制造⽅⾯都⽐波导和同轴线简便得多，因此在徽带电路，分⽀线电桥和定向祸合器得到了较多的应⽤。
随着定向耦合器技术的发展，它应⽤到了更多更⼴泛的领域当中去，例如相控阵雷达等，越来越多的⼈开始关注这项技术，这更使定向耦合器得到了长⾜发展，随着时间的推移它在电⼦技术领域占到了越来越重要的地位。
2 微带定向耦合器的种类微带定向耦合器的种类有很多，例如：平⾏耦合微带线定向耦合器、微波3dB 微带双分⽀定向耦合器、宽带微带定向耦合器等。
2.1 平⾏耦合微带线定向耦合器图12所⽰，是平⾏耦合微带线定向耦合器的⽰意图。
当①端⼝信号激励时，③端⼝为隔离端⽆输出、⽽耦合端⼝②及直通端⼝④有输出。
定向耦合器的应用及指标参数
定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用，种类很多。
波导同轴线带状线微带线按传输线类型单孔耦合多孔耦合连续耦合平行线耦合按耦合方式同向耦合反向耦合输出方向90度定向180度定向输出相位强耦合中等耦合弱耦合按耦合强弱定向耦合器的技术指标定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端，直通端，耦合端和隔离端，分别对应右图所示的1、2、3和4端口。
定向耦合器的主要技术指标有耦合度，隔离度（或方向性）、输入驻波比和工作带宽。
（一）耦合度C耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数，即31log10PPC=（dB）由于定向耦合器是一个可逆四端口网络，因此耦合度又可表示13113211log202~2~log10SUSUCii=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=（dB）由此可见耦合度的分贝数越大耦合越弱。
通常把耦合度为0~10Db的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为10~20Db的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20Db的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
（二）隔离度D隔离度D 定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数，即41log10P P D =（dB ）若用散射参量来描述，则有14114211log 202~2~log 10S U S U D i i =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=(Db)在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度为无限大，但实际上由于设计或加工制作的不完善，常有极小部门功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。
有时用方向性（dB ）来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比。
也可用散射参量来表示反向性，即C D S S S S P P D -===='141321421343log 20log 10log10（三）、输入驻波比p将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。
定向耦合器
请注意这里定义的分贝耦合度大于odB,数字愈大则意味着耦合愈松，即进入 端口3的功率愈少。实用中，最紧的耦合为3dB，否则只需要将主波导输出臂作耦 合臂即可。 （2）定向性D 在一般文献中，对定向性的定义论述得不够严谨、深入。本讲义将提出三 种不同的定向往定义，供实用时参考。 第一种，称为理论定向性定义Dr 它定义为在各端口均接匹配负载时，端口1输入功率情况下，端口3的耦合功 率P3与端口4的耦合功率P4之比，再取101og。即
（
1 max
2 min
显然这时所测的，定向性Dp也有一个范围，即
(
ห้องสมุดไป่ตู้
3) 输入驻波比的测量 输入驻波比 ρ ，采用下图测试系统。当
ρ 很小时，也可采用滑动负载法
ρ
三， 实验线路和仪器
四、实验步骤 本实验主要测定定向耦合器三个参数：分贝耦合度C，实际器件定向性Dp和 输入驻波比。 1. 连接好微波系统，调谐探针，调配信号源 Γg ，测定电源工作频率f。 2．调配功率计，使等效 ΓL 尽量小。 3，按图22一4系统测定分贝耦合度C。 C＝ A1 − A 2 4．按图22一5的系统测定实际器件的定向性Dp。根据|Dp|和| kΓL | 大小判别进 ' 行计算。在我们的情况下按
定向耦合器的基本参数有三个：分贝耦合度C,定向性D和输入驻波比p。这三个参 数都有一定的频带指标。 （1）分贝耦合度C 定义在各端口匹配情况下，端口1的输入功率P1和端口3的耦合功率P3之比再取 101og 即 P a 1
(dB) C = 10 log 1 = 20 log 1 = 20 log P a2 s 31 3
ΓL 4 C D = δ+ 1 − δΓL 4
'2
定向耦合器结构原理及各项指标说明
定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的，它是微波功率分配器件的一种。
一、结构原理：图中“①、②”是一条传输系统，称为主线；“③、④”为另一条传输系统，称为副线。
定向耦合器是四端口网络，端口“①”为输入端，端口“②”为直通输出端，端口“③”为耦合输出端，端口“④”为隔离端。
二、耦合器型号较多如从结构上分一般分为：微带和腔体2种。
腔体耦合器内部是2条金属杆，组成的一级耦合。
微带耦合器内部是2条微带线，组成的一个类似于多级耦合的网络。
三、主要指标：耦合度、隔离度、方向性、插入损耗、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度。
以下对各项指标进行说明:耦合度：信号功率经过耦合器，从耦合端口输出的功率和输入信号功率直接的差值。
（一般都是理论值如：6dB、10dB、30dB等）耦合度的计算方法：如上图所示。
是信号功率C-A的值比如输入信号A为30dBm 而耦合端输出信号C为24dBm 则耦合度＝C-A＝30-24＝6dB，所以此耦合器为6dB耦合器。
因为耦合度实际上没有这么理想，一般有个波动的范围，比如标称为6dB的耦合器，实际耦合度可能为：5.5~6.5之间波动。
隔离度：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离；一般此指标仅用于衡量微带耦合器。
并且根据耦合度的不同而不同：如：5－10dB为18～23dB，15dB为20～25dB，20dB（含以上）为：25～30dB；腔体耦合器的隔离度非常好所以没有此指标要求。
计算方法：如上图指的是图中的淡蓝色曲线上的损耗，使用网络分析仪将信号由B输入，测C处减小的量即为隔离度。
方向性：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离度的值再减去耦合度的值所得的值，由于微带的方向性随着耦合度的增加逐渐减小最后30dB以上基本没有方向性，所以微带耦合器没有此指标要求，腔体耦合器的方向性一般为：1700～2200MHz时：17～19dB，824～960MHz时：18～22dB。
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定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性
时间：2015-08-11 来源：天线设计网TAGS：定向耦合器耦合器无源器件定向耦合器的技术指标
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系统、测试系统、功率分配系统等。
定向[天线设计网]耦合器的种类繁多。
（1）定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。
（2）当信号从输入端输入时，除了一部分功率直接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。
（3）如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定向耦合器”。
反之，称为“反向定向耦合器”。
除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标有耦合度、方向性和隔离度。
[天线设计网]设输入功率为 P1，直通端、耦合端和隔离端
在接匹配负载时的输出功率分别为P2， P3， P4。
耦合度C定义：
方向性D定义：
理想情况下
隔离度I定义：
理想情况下
很显然有以下关系：
实际上，[天线设计网]方向性和隔离度同属表征定向耦合器定向性能的指标，故而取其一就够了。
理想定向耦合器特性
【定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口网络可以构成一个理想的90°定向耦合器。
证明：根据互易、对称、完全匹配，有
利用无耗网路S矩阵的幺正性：可得，
可见，S12、S13和S14中[天线设计网]必然有一个为零，由于端口2为直通端口，故S12不为零。
（a）设S14＝0（正向定向耦合器），则
（b）设S13＝0（反向定向耦合器），则
得证。
结论：
理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之和等于输入功率。
理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。
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